Name: optimizing magnetic force microscopy resolution and sensitivity to visualize nanoscale magnetic domains
Uploaded: 2022-07-20T14:40:00
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Tutte le immagini AFM / MFM sono state eseguite nel Surface Science Laboratory (SSL) della Boise State University. Il sistema AFM glovebox utilizzato in questo lavoro è stato acquistato sotto il numero di sovvenzione della National Science Foundation Major Research Instrumentation (NSF MRI) 1727026, che ha anche fornito supporto parziale per PHD, ACP e OOM. Il supporto parziale per OOM è stato ulteriormente fornito dal NSF CAREER Grant Number 1945650. La ricerca presso l'Università del Delaware, compresa la fabbricazione e la caratterizzazione al microscopio elettronico di strutture artificiali di spin-ghiaccio, è stata sostenuta dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Office of Basic Energy Sciences, Division of Materials Sciences and Engineering con il premio DE-SC0020308. Gli autori ringraziano i dottori Medha Veligatla e Peter Müllner per le utili discussioni e la preparazione dei campioni Ni-Mn-Ga mostrati qui, così come il Dr. Corey Efaw e Lance Patten per i loro contributi alla procedura operativa standard MFM, incluso nel file supplementare 1.

NOTA: Oltre al protocollo riportato di seguito, una dettagliata procedura operativa standard MFM (SOP) dettagliata specifica per lo strumento utilizzato qui e orientata all'imaging MFM generale è inclusa come file supplementare 1. Per integrare la parte video di questo manoscritto, la SOP include immagini del supporto della sonda, del magnetizzatore della punta e della procedura di magnetizzazione, delle impostazioni del software, ecc.
1. Preparazione e installazione de...

L'imaging MFM ad alta risoluzione richiede che venga prima acquisita una corrispondente scansione topografica ad alta risoluzione e ad alta fedeltà per ogni linea. Questa scansione topografica è tipicamente ottenuta attraverso il contatto intermittente o la modalità di tocco AFM, che impiega un sistema di feedback di modulazione di ampiezza per visualizzare la topografia campione47. La fedeltà della scansione topografica può essere ottimizzata regolando il set point di ampiezza del cantilever...

La microscopia a forza magnetica (MFM), una microscopia a scansione di sonda (SPM) derivata dalla microscopia a forza atomica (AFM), consente di visualizzare le forze magnetiche relativamente deboli ma a lungo raggio sperimentate dalla punta di una sonda magnetizzata mentre viaggia sopra una superficie campione 1,2,3,4,5. L'AFM è una tecnica di caratterizzazione non distruttiva che impiega una punta in scala nanometrica all'estremità di un cantilever flessibile per mappare la topografia superficiale6 e misurare le proprietà del materiale (ad esempio, meccaniche, elettriche e magnetiche) 7,8,9 con risoluzione su scala nanometrica. La deflessione del cantilever dovuta alle interazioni punta-campione di interesse viene misurata tramite la riflessione di un laser sul retro del cantilever e in un fotodiodo sensibile alla posizione10. L'imaging ad alta risoluzione delle proprietà magnetiche locali di un materiale tramite MFM offre l'opportunità unica di caratterizzare l'intensità e l'orientamento del campo magnetico in nuovi materiali, strutture e dispositivi su scala nanometrica 4,5,11,12,13,14,15,16,17 . Per eseguire MFM, una sonda AFM la cui punta è stata magnetizzata verticalmente (cioè perpendicolare al cantilever della sonda e alla superficie del campione) viene fatta oscillare meccanicamente alla sua frequenza di risonanza naturale ad un'altezza fissa sopra la superficie del campione. I cambiamenti risultanti nell'ampiezza dell'oscillazione (meno sensibili, e quindi meno comuni), nella frequenza o nella fase (descritti qui) vengono quindi monitorati per misurare qualitativamente l'intensità del campo magnetico. Più specificamente, la modulazione di frequenza MFM produce una mappa degli spostamenti nella frequenza o fase di oscillazione, proporzionale alla grandezza e al segno del gradiente di forza magnetica sperimentato dalla sonda. Al fine di mantenere un'altezza costante sopra il campione durante le misurazioni MFM, viene tipicamente utilizzata una modalità operativa a doppio passaggio. La topografia del campione viene prima mappata tramite tecniche AFM standard, seguita da imaging MFM interlacciato di ciascuna linea di scansione sequenziale a un'altezza di sollevamento determinata dall'utente (da decine a centinaia di nm) dalla superficie del campione. L'impiego di una tale modalità di acquisizione a doppio passaggio interfogliato consente di separare le interazioni punta a breve raggio del campione di van der Waals utilizzate per mappare la topografia dalle forze magnetiche relativamente più lunghe sperimentate durante il passaggio della modalità di sollevamento interlacciato. Tuttavia, la risoluzione spaziale MFM aumenta con la diminuzione dell'altezza di sollevamento18, quindi c'è una tensione intrinseca tra l'aumento della risoluzione MFM e l'evitare artefatti topografici dovuti alle forze di van der Waals. Allo stesso modo, la sensibilità MFM è proporzionale all'ampiezza dell'oscillazione durante il passaggio della modalità di sollevamento, ma l'ampiezza di oscillazione massima consentita è limitata dall'altezza di sollevamento e dai rapidi cambiamenti nella topografia del campione (cioè caratteristiche di proporzioni elevate).
Studi recenti hanno evidenziato la ricchezza di opportunità associate all'applicazione del nanomagnetismo e della nanomagnonica, sviluppati tramite strutture di spin-ice artificiale (ASI) e cristalli magnonici, come dispositivi funzionanti per la logica, il calcolo, la crittografia e l'archiviazione dei dati 19,20,21,22 . Composti da nanomagneti disposti in distinte formazioni reticolari estese, gli spin ice artificiali mostrano dipoli magnetici emergenti o monopoli che possono essere controllati tramite uno stimolo esterno 19,20,23,24,25. In generale, gli ASI favoriscono una configurazione del momento che minimizza l'energia (ad esempio, in un ASI quadrato bidimensionale (2D), due momenti puntano dentro e due punti fuori da ogni vertice), con i microstati a bassa energia che seguono regole analoghe ai materiali cristallini di spin-ghiaccio21,26,27,28 . Allo stesso modo, un recente studio abilitato MFM ha dimostrato un sistema reticolare ASI tridimensionale (3D) costruito da spin di terre rare situate su tetraedri che condividono angoli, dove due spin puntano verso il centro dei tetraedri e due spin puntano, risultando in due dipoli magnetici uguali e opposti e quindi una carica magnetica netta zero nei centri dei tetraedri23 . A seconda dell'allineamento di un campo magnetico applicato rispetto alla superficie del campione, sono state osservate differenze significative nell'ordinamento magnetico e nella lunghezza della correlazione. L'allineamento e il controllo dei dipoli ASI giustificano quindi ulteriori indagini. I metodi per misurare le distribuzioni del campo magnetico ASI hanno incluso l'uso di uno spettrometro di rumore magneto-ottico29 o della microscopia elettronica a fotoemissione a dicroismo circolare magnetico a raggi X (XMCD-PEEM)25; tuttavia, per ottenere risoluzioni spaziali uguali o superiori a quelle dell'MFM con XMCD-PEEM, sono necessarie lunghezze d'onda estremamente corte (cioè raggi X ad alta energia). MFM offre una tecnica di caratterizzazione molto più semplice che non richiede l'esposizione di campioni a raggi X ad alta energia potenzialmente dannosi. Inoltre, MFM è stato utilizzato non solo per caratterizzare i microstati ASI21,23,27, ma anche per la scrittura magnetica guidata da difetti topologici utilizzando punte ad alto momento magnetico30. Di conseguenza, MFM può svolgere un ruolo vitale nel promuovere la ricerca e lo sviluppo dell'ASI, in particolare attraverso la sua capacità di correlare la topografia del campione con l'intensità e l'orientamento del campo magnetico, rivelando così i dipoli magnetici associati a specifiche caratteristiche topografiche (cioè elementi reticolari ASI).
L'MFM ad alta risoluzione fornisce anche informazioni significative sulla relazione tra la struttura delle leghe ferromagnetiche a memoria di forma e le loro proprietà magnetomeccaniche su scala nanometrica 14,17,31,32,33. Le leghe ferromagnetiche a memoria di forma, comunemente indicate come leghe a memoria di forma magnetica (MSMA), mostrano grandi (fino al 12%) deformazioni indotte dal campo magnetico, trasportate attraverso il doppio movimento di confine 29,33,34,35. Le tecniche MFM sono state utilizzate per studiare le complesse relazioni tra gemellaggio durante la deformazione e trasformazione martensitica, indentazione, deformazione a micro-pilastri e risposte magnetiche su scala nanometrica degli MSMA15,16,17,36. Di particolare nota, MFM è stato combinato con nanoindentazione per creare e leggere una memoria magnetomeccanica su scala nanometrica a quattro stati17. Allo stesso modo, le tecnologie di registrazione magnetica di prossima generazione vengono perseguite tramite la registrazione magnetica assistita dal calore (HAMR), raggiungendo densità lineari di 1975 kBPI e densità di traccia di 510 kTPI37. La maggiore densità areale necessaria per consentire una maggiore e più compatta archiviazione dei dati ha comportato una significativa riduzione del track pitch definito delle tecnologie AMPR, accentuando la necessità di imaging MFM ad alta risoluzione.
Oltre agli ASI e agli MSMA, l'MFM è stato utilizzato con successo per caratterizzare varie nanoparticelle magnetiche, nanoarray e altri tipi di campioni magnetici 3,38,39. Tuttavia, la risoluzione e la sensibilità MFM finali sono limitate sia da cose al di fuori del controllo dell'utente (ad esempio, elettronica di rilevamento AFM, tecnologia della sonda MFM, fisica sottostante, ecc.) sia dalla scelta dei parametri di imaging e dell'ambiente. Nel frattempo, le dimensioni delle caratteristiche nei dispositivi magnetici continuano a diminuiredi 40,41, creando domini magnetici più piccoli, rendendo così l'imaging MFM sempre più impegnativo. Inoltre, i dipoli magnetici di interesse non sono sempre orientati fuori dal piano, parallelamente al vettore di magnetizzazione della sonda. L'imaging ad alta risoluzione dei campi vaganti emanati dalle estremità dei dipoli orientati nel piano o quasi nel piano, come nel caso delle strutture ASI mostrate qui, richiede una maggiore sensibilità. Il raggiungimento di immagini MFM ad alta risoluzione, in particolare di tali campioni magnetizzati nel piano composti da domini magnetici su scala nanometrica, dipende quindi dalla scelta appropriata della sonda MFM (ad esempio, spessore, coercività e momento del rivestimento magnetico, che a volte può essere in contrasto con il miglioramento della sensibilità o della risoluzione laterale18 o la conservazione dell'allineamento magnetico del campione30 ), i parametri di imaging (ad esempio, altezza di sollevamento e ampiezza di oscillazione, come menzionato sopra, oltre a ridurre al minimo l'usura del rivestimento della punta durante l'imaging della linea topografica) e la qualità del campione (ad esempio, rugosità superficiale e contaminazione, inclusi detriti di lucidatura o acqua superficiale dovuta all'umidità ambientale). In particolare, la presenza di acqua adsorbita sulla superficie del campione a causa dell'umidità ambientale può introdurre forti forze di van der Waals che possono interferire in modo significativo con la misurazione delle forze magnetiche e limitare l'altezza minima di sollevamento raggiungibile per le misurazioni MFM. Il funzionamento MFM all'interno di un vano portaoggetti in atmosfera inerte elimina quasi tutti i contaminanti superficiali, consentendo altezze di sollevamento inferiori e una risoluzione più elevata unita a una maggiore sensibilità. Di conseguenza, negli esempi di esempio mostrati qui, è stato impiegato un sistema AFM alloggiato in un vano portaoggetti in atmosfera inerte personalizzato riempito con argon (Ar) contenente <0,1 ppm di ossigeno (O 2) e acqua (H2 O) per consentire altezze di sollevamento estremamente basse (fino a 10 nm). Ciò consente successivamente l'imaging MFM squisitamente ad alta risoluzione in grado di risolvere domini magnetici alternati larghi <200 nm all'interno di un gemello cristallografico più grande e dipoli magnetici (magneti a barre nanometriche) <100 nm di larghezza e ~ 250 nm di lunghezza.
Questo articolo spiega come acquisire immagini MFM ad alta risoluzione e ad alta sensibilità combinando l'uso di un vano portaoggetti in atmosfera inerte con un'attenta preparazione del campione e una scelta ottimale dei parametri di imaging. I metodi descritti sono particolarmente preziosi per l'imaging di dipoli orientati nel piano, che sono tradizionalmente difficili da osservare, e quindi vengono presentate immagini MFM esemplari ad alta risoluzione sia di cristalli MSMA Ni-Mn-Ga che mostrano distinti domini magnetici su scala nanometrica all'interno di gemelli cristallografici e attraverso i confini dei gemelli, sia di array ASI nanomagnetici fabbricati con un orientamento di dipolo magnetico nel piano. I ricercatori in un'ampia varietà di campi che desiderano l'imaging MFM ad alta risoluzione possono trarre notevoli benefici dall'utilizzo del protocollo qui delineato, nonché dalla discussione di potenziali sfide come gli artefatti topografici.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Atomic force microscope</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>Dimension Icon</td>
			<td>Uses Nanoscope control software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glovebox, inert atmosphere</td>
			<td>MBraun</td>
			<td>LabMaster Pro MB200B + MB20G gas purification unit</td>
			<td>Custom design (leaktight electrical feedthroughs, vibration isolation, acoustical noise and air current minimization, etc.) and depth for use with Bruker Dimension Icon AFM, 3 gloves, argon atmosphere</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MFM probe</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>MESP</td>
			<td>k = 3 N/m, f0 = 75 kHz, r = 35 nm, 400 Oe coercivity, 1 x 10-13 EMU moment. An improved version with tighter specifications, the MESP-V2, is now available. We have also used Bruker&#39;s MESP-RC (2x higher resonance frequency than the standard MESP, f0 = 150 kHz, with a marginally stiffer nominal spring constant of 5 N/m) and other MESP variants designed for low (0.3 x 10-13 EMU) or high (3 x 10-13 EMU) moment (i.e., MESP-LM or MESP-HM, respectively) or coercivity. A variety pack of 10 probes containing 4x regular MESP, 3x MESP-LM, and 3x MESP-HM variants is available from Bruker as MESPSP. Other vendors also manufacture MFM probes with specifications similar to the MESP (e.g., PPP-MFMR from Nanosensors, also available in a variety of variants, including -LC for low coercivity, -LM for low moment, and SSS for &#34;super sharp&#34; decreased tip radius; MAGT from AppNano, available in low moment [-LM] and high moment [-HM] variants). Similarly, Team Nanotec offers a line of high resolution MFM probes (HR-MFM) with several options in terms of cantilever spring constant and magnetic coating thickness.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MFM test sample</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>MFMSAMPLE</td>
			<td>Section of magnetic recording tape mounted on a 12 mm diameter steel puck; useful for troubleshooting and ensuring the MFM probe is magnetized and functioning properly</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nanscope Analysis</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>Version 2.0</td>
			<td>Free AFM image processing and analysis software package, but proprietary, designed for, and limited to Bruker AFMs; similar functionality is available from free, platform-independent AFM image processing and analysis software packages such as Gwyddion, WSxM, and others</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Probe holder</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>DAFMCH or DCHNM</td>
			<td>Specific to the particular AFM used; DAFMCH is the standard contact and tapping mode probe holder, suitable for most MFM applications, while DCHNM is a special nonmagnet version for particularly sensitive MFM imaging</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Probe magnetizer</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>DMFM-START</td>
			<td>MFM &#34;starter kit&#34; designed specifically for the Dimension Icon AFM; includes 1 box of 10 MESP probes (see above), a probe magnetizer (vertically aligned, ~2,000 Oe magnet in a mount designed to accommodate the DAFMCH or DCHNM probe holder, above), and a magnetic tape sample (MFMSAMPLE, above)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sample Puck</td>
			<td>Ted Pella</td>
			<td>16218</td>
			<td>Product number is for 15 mm diameter stainless steel sample puck. Also available in 6 mm, 10 mm, 12 mm, and 20 mm diameters at https://www.tedpella.com/AFM_html/AFM.aspx#anchor842459</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scanning electron microscope (SEM)</td>
			<td>Zeiss Merlin</td>
			<td>Gemini II</td>
			<td>SEM parameters: 5 keV accelaration voltage, 30 pA electron current, 5 mm working distance. Due to nm scale ASI lattice features, the aperture and stigmation alignment were adjusted before acquisition to produce high quality images.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

optimizing magnetic force microscopy resolution and sensitivity to visualize nanoscale magnetic domains

La microscopia a forza magnetica (MFM) consente di mappare i campi magnetici locali su una superficie del campione con risoluzione su scala nanometrica. Per eseguire MFM, una sonda di microscopia a forza atomica (AFM) la cui punta è stata magnetizzata verticalmente (cioè perpendicolare al cantilever della sonda) viene oscillata ad un'altezza fissa sopra la superficie del campione. I cambiamenti risultanti nella fase o frequenza di oscillazione, che sono proporzionali alla grandezza e al segno del gradiente di forza magnetica verticale in ogni posizione dei pixel, vengono quindi tracciati e mappati. Sebbene la risoluzione spaziale e la sensibilità della tecnica aumentino con la diminuzione dell'altezza di sollevamento sopra la superficie, questo percorso apparentemente semplice per migliorare le immagini MFM è complicato da considerazioni come la riduzione al minimo degli artefatti topografici dovuti alle forze di van der Waals a corto raggio, l'aumento dell'ampiezza dell'oscillazione per migliorare ulteriormente la sensibilità e la presenza di contaminanti superficiali (in particolare l'acqua dovuta all'umidità in condizioni ambientali). Inoltre, a causa dell'orientamento del momento di dipolo magnetico della sonda, l'MFM è intrinsecamente più sensibile ai campioni con un vettore di magnetizzazione fuori piano. Qui sono riportate immagini topografiche e di fase magnetiche ad alta risoluzione di array di spin-ice artificiale (ASI) di nanomagneti singoli e bicomponenti ottenuti in un vano portaoggetti in atmosfera inerte (argon) con <0,1 ppm O 2 eH2 O. Viene discussa l'ottimizzazione dell'altezza di sollevamento e dell'ampiezza dell'azionamento per un'alta risoluzione e sensibilità, evitando contemporaneamente l'introduzione di artefatti topografici, e viene mostrato il rilevamento dei campi magnetici vaganti emanati da entrambe le estremità dei magneti a barra nanometrica (~ 250 nm di lunghezza e < 100 nm di larghezza) allineati nel piano della superficie del campione ASI. Allo stesso modo, utilizzando l'esempio di una lega a memoria magnetica di forma Ni-Mn-Ga (MSMA), MFM è dimostrato in un'atmosfera inerte con sensibilità di fase magnetica in grado di risolvere una serie di domini magnetici adiacenti ciascuno largo ~ 200 nm.

Reticoli artificiali di spin-ghiaccio (ASI) Gli spin ice artificiali sono reti bidimensionali litograficamente definite di nanomagneti interagenti. Mostrano frustrazione per progettazione (cioè, l'esistenza di molti minimi locali nel panorama energetico)21,42,43. L'imaging MFM ad alta risoluzione per chiarire le configurazioni magnetiche e le interazioni tra i componenti dell'array offre l'opportunità unica...

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Optimizing Magnetic Force Microscopy Resolution and Sensitivity to Visualize Nanoscale Magnetic Domains

La microscopia a forza magnetica (MFM) impiega una sonda di microscopia a forza atomica magnetizzata verticalmente per misurare la topografia del campione e l'intensità del campo magnetico locale con risoluzione su scala nanometrica. L'ottimizzazione della risoluzione spaziale e della sensibilità MFM richiede il bilanciamento dell'altezza di sollevamento decrescente con l'aumento dell'ampiezza dell'azionamento (oscillazione) e trae vantaggio dal funzionamento in un vano portaoggetti in atmosfera inerte.

Ottimizzazione della risoluzione e della sensibilità al microscopio a forza magnetica per visualizzare domini magnetici su scala nanometrica

Magnetic force microscopy (MFM) enables mapping local magnetic fields across a sample surface with nanoscale resolution. To perform MFM, an atomic force ...

La microscopia a forza magnetica, o MFM, impiega una sonda di microscopia a forza atomica magnetizzata verticalmente per misurare la topografia del campione e l'intensità del campo magnetico locale con risoluzione su scala nanometrica. Bilanciando l'altezza di sollevamento decrescente con l'aumento dell'ampiezza dell'azionamento o dell'oscillazione, è possibile ottimizzare la risoluzione spaziale e la sensibilità MFM. Le applicazioni di calcolo spin-wave degli spin ice artificiali si basano sulla conoscenza delle texture di magnetizzazione dei nanoelementi mentre determinano la risposta magnonica.L'MFM ad alta risoluzione consente l'identificazione degli stati di magnetizzazione globale ghiacciata. A dimostrare la procedura sarà Olivia Maryon, una studentessa di dottorato in scienze dei materiali e ingegneria presso la Boise State University, ex ricercatrice universitaria AFM per il mio laboratorio. Per iniziare, aprire il software di controllo AFM e selezionare l'area di lavoro MFM nella categoria e nel gruppo dell'esperimento Modalità di sollevamento magnetico elettrico.Montare una sonda AFM con un rivestimento magnetico su un supporto per sonda appropriato posizionando con attenzione il supporto della sonda su un blocco di montaggio, quindi caricando la sonda sul supporto della sonda, allineando la sonda e fissandola in posizione con una clip caricata a molla. Assicurarsi che la sonda sia parallela a tutti i bordi e non tocchi il retro del canale del supporto ispezionandolo al microscopio ottico. Manipolare delicatamente la sonda secondo necessità con un paio di pinzette.Magnetizzare la sonda verticalmente utilizzando un magnete forte e permanente per 2-5 secondi in modo che l'orientamento del dipolo magnetico della punta della sonda sia perpendicolare al campione. Rimuovere con cautela la testa AFM avendo cura di scaricare eventuali accumuli elettrostatici toccando la custodia AFM. Installare la sonda e il supporto della sonda allineando i fori sul supporto della sonda con i perni di contatto sulla testa.Reinstallare la testina sull'AFM e fissarla in posizione. Allineare il laser al centro del cantilever della sonda MFM e nel rilevatore sensibile alla posizione. Per una sensibilità ottimale, allineare il laser sul retro del cantilever alla posizione corrispondente alla battuta d'arresto della punta dall'estremità distale del cantilever.Massimizza il segnale di somma sul PSD riducendo al minimo le deflessioni sinistra-destra e su-giù per centrare il raggio laser riflesso sul rilevatore. Posizionare il campione sulla porta del vuoto del mandrino AFM. Evitare l'uso di un portacampioni magnetico in quanto ciò potrebbe influire sul campione e/o interferire con la misurazione MFM.Accendere il vuoto del mandrino per fissare il campione allo stadio AFM. Tornare al software di controllo AFM, andare su Setup e selezionare il tipo di sonda scelto. Mettere a fuoco il cantilever e allineare il mirino all'interno della vista del microscopio ottico da posizionare sul retro del cantilever della sonda MFM dove si trova la punta utilizzando la nota battuta d'arresto della punta in base alla sonda selezionata.Aprire la finestra Naviga e posizionare la fase AFM e il campione in modo che l'area di interesse si trovi direttamente sotto la punta AFM. Abbassare la testa AFM fino a quando la superficie del campione non viene messa a fuoco nella vista ottica. Tornare a Setup, selezionare Manual Tune ed eseguire una tune a sbalzo scegliendo le frequenze di inizio e fine che scorreranno la frequenza di azionamento piezoelettrico dithering attraverso una regione scelta per coprire la frequenza di risonanza prevista della sonda selezionata.Scegliere un offset di frequenza dell'unità e l'ampiezza del target. Quindi sintonizzare il cantilever e impostare il set point di ampiezza desiderato. Impegnarsi sulla superficie del campione e impostare la dimensione di scansione desiderata in base al campione e alle caratteristiche di interesse.Aumentare il setpoint di ampiezza con incrementi di uno o due nanometri fino a quando la punta perde il contatto con la superficie del campione, come visto dalle linee di traccia e ritracciamento che non riescono a seguirsi a vicenda nel canale del sensore di altezza. Quindi ridurre il setpoint di ampiezza da due a quattro nanometri in modo che la punta sia appena a contatto con la superficie del campione. Ottimizza i guadagni proporzionali e integrali regolandoli in modo che siano abbastanza alti da forzare il sistema di feedback a tracciare la topografia della superficie del campione riducendo al minimo il rumore.Una volta ottimizzati i parametri di imaging topografico AFM, ritirarsi a breve distanza dalla superficie e tornare al menu di regolazione della sonda. Eseguire una seconda melodia a sbalzo da utilizzare per acquisire la linea MFM della modalità di sollevamento interlacciata, assicurandosi di scollegare i risultati di questa melodia dai parametri precedenti della linea principale. Nella sintonizzazione della modalità di sollevamento interlacciata, impostare l'offset di picco su 0%Scegliere le frequenze di inizio e fine che distribuiranno la frequenza di secco attraverso una regione che copre la frequenza di risonanza della sonda.Regolate l'ampiezza del target della modalità di sollevamento interlacciata in modo che sia leggermente inferiore all'ampiezza della linea di demarcazione principale. Ciò consentirà l'imaging MFM ad alta sensibilità senza colpire la superficie quando si utilizzano altezze di sollevamento ridotte per una risoluzione laterale ottimale. Lasciare la finestra di accordatura a sbalzo per innestare nuovamente sulla superficie.Per ottimizzare i parametri di imaging, impostare l'altezza di scansione iniziale di sollevamento su 25 nanometri, quindi diminuire gradualmente gli incrementi da due a cinque nanometri. Una volta che la sonda inizia a colpire la superficie, aumentare immediatamente l'altezza di scansione per preservare la punta della sonda e prevenire l'introduzione di artefatti topografici. Aumentare l'ampiezza dell'unità con piccoli incrementi corrispondenti a due-cinque nanometri nell'ampiezza dell'oscillazione fino a quando l'ampiezza dell'unità interleave supera l'ampiezza dell'unità della linea principale o la sonda inizia a contattare la superficie.Quindi diminuire leggermente l'ampiezza dell'unità in modo che non vengano visualizzati picchi nel canale di fase MFM. Continuare a ottimizzare in modo iterativo l'altezza di scansione del sollevamento e l'ampiezza dell'azionamento regolando in incrementi progressivamente più piccoli fino a ottenere un'immagine MFM ad alta risoluzione priva di artefatti topografici. La microscopia a forza magnetica viene utilizzata per visualizzare i confini gemelli e tracciare il loro movimento in risposta a un campo magnetico o a una forza applicata.Le immagini della fase magnetica del campione lucido di nichel-manganese-gallio monocristallino mostrano il caratteristico orientamento magnetico della scala attraverso i confini gemelli. L'immagine della fase magnetica sovrapposta come una pelle colorata sopra la topografia 3D del campione mostra la direzione lunga dei domini magnetici che cambiano alle caratteristiche topografiche. L'ottimizzazione della risoluzione spaziale e della sensibilità MFM trae vantaggio dall'operare in un vano portaoggetti atmosferico inerte e richiede il bilanciamento dell'altezza di sollevamento decrescente con l'aumento dell'ampiezza dell'azionamento o dell'oscillazione.L'MFM ad alta risoluzione e ad alta sensibilità è fondamentale per studiare le configurazioni di magnetizzazione sottostanti negli stati di ghiaccio artificiale e potrebbe anche far progredire il campo in rapido sviluppo del calcolo delle onde di spin.

Research

JoVE Journal

Engineering

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